Датчик давления


 

G01L9/00 - Измерение постоянного или медленно меняющегося давления газообразных и жидких веществ или сыпучих материалов с помощью электрических или магнитных элементов, чувствительных к механическому давлению; передача и индикация перемещений элементов, чувствительных к механическому воздействию, используемых для измерения давления с помощью электрических или магнитных средств (измерение разности двух или более величин давления G01L 13/00; одновременное измерение двух и более величин давления G01L 15/00; вакуумметры G01L 21/00)

Владельцы патента RU 2559300:

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано в различных областях науки и техники, связанных с измерением перепада давления среды. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и работоспособности высокоточного дифференциального датчика давления во время и после кратковременных многократных перегрузок. Полупроводниковый датчик перепада давления содержит полупроводниковую мембрану из кремния, тензодатчик в виде мостовой схемы из тензорезисторов, первый стопорный элемент и второй стопорный элемент. Первый стопорный элемент выполнен из кремния и содержит стопорный выступ в области напротив канавки полупроводниковой мембраны, стопорное углубление напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, расположенное с зазором от центрального выступа мембраны, а также центральное сквозное отверстие. Стопорный элемент закреплен плоской стороной на стеклянной подложке из материала с одинаковым с кремнием коэффициентом теплового расширения и имеющей центральное сквозное отверстие, совпадающее с отверстием первого стопорного элемента. Второй стопорный элемент выполнен из кремния и содержит второй центральный стопорный выступ, окруженный первой канавкой, а также стопорный выступ, окруженный второй канавкой, расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив канавки полупроводниковой мембраны. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано в различных областях науки и техники, связанных с измерением перепада давления среды.

Уровень техники

Объектами эксплуатации дифференциального датчика могут быть трубопроводы для подвода и отвода жидкостей для систем и агрегатов судов, например для охлаждающих контуров двигателей разного типа. В трубопроводах при работе насосов и исполнительных механизмов могут возникнуть скачки давления. При этом измеряемые давления меняются от нескольких кПа до МПа. Применяющиеся интегральные преобразователи давления для дифференциальных датчиков имеют достаточно тонкую, не более 50 мкм, мембрану и могут быть разрушены скачками давления, доходящими до единиц МПа.

Наиболее близким техническим решением является структура двойного ограничителя для преобразователя давления (Патент США 6,588,281 «Double stop structure for a pressure transducer), МПК G01L 9/16, дата публикации 8.07.2003). В данном изобретении полупроводниковый датчик для измерения перепада давления через мембрану датчика и действующий при наличии избыточной однонаправленной силы, приложенной к датчику в любом направлении, для ограничения диафрагмы от дальнейшего прогиба во время действия избыточной силы, стремящейся к разрушению диафрагмы, включает плоскую полупроводниковую мембрану, пьезорезистивные сенсоры, первый и второй стопорные элементы. Мембрана включает центральную активную область, на верхней стороне окруженную канавкой заданной ширины и глубины, которая образует центральный выступ на верхней стороне. Центральная область внутри канавки способна прогибаться. Также мембрана содержит периферийную неактивную область, окруженную указанной канавкой, и относительно гладкую нижнюю поверхность.

Пьезорезистивные сенсоры сформированы на нижней стороне мембраны и в областях на нижней поверхности соответствуют канавке на противоположных сторонах центрального выступа верхней стороны мембраны.

Первый стопорный элемент, прикрепленный к мембране в переферийной области на верхнюю поверхность, включает первое и второе щелевые отверстия, связанные с активной областью, проходящие в основном вдоль длины активной области и соответствующие областям в противоположных сторонах относительно центрального выступа

Также первый стопорный элемент содержит стопорное углубление, расположенное между первым и вторым щелевыми отверстиями, лежащее над центральным выступом. Стопорное углубление отделено от центрального выступа для того, чтобы мембрана могла прогибаться под действием силы и чтобы центральный выступ мог упираться в поверхность стопорного углубления при приложении избыточной силы. Первое и второе щелевые отверстия позволяют прикладывать другую силу к активной области мембраны в противоположном к стопорному направлению.

Второй стопорный элемент, прикрепленный к мембране на нижней поверхности, включает первое и второе щелевые отверстия, связанные с активной областью, проходящие в основном вдоль длины активной области и соответствующие областям в противоположных сторонах относительно центрального выступа.

Также первый стопорный элемент содержит стопорное углубление, расположенное между первым и вторым щелевыми отверстиями, лежащее над центральным выступом на верхней стороне. Стопорное углубление отделено от нижней поверхности активной области для того, чтобы мембрана могла прогибаться под действием силы и нижняя поверхность могла упираться в поверхность стопорного углубления при приложении избыточной силы. Первое и второе щелевые отверстия позволяют прикладывать другую силу к активной области мембраны в противоположном к стопорному направлению.

Недостатком данного решения является возможность разрушения мембраны при значительных перегрузках (более чем в 20 раз от верхнего предела измерения). При перегрузках центральный выступ мембраны упирается в поверхность стопорного углубления первого стопорного элемента или нижней поверхностью в поверхность стопорного углубления второго стопорного элемента. Но при дальнейшем увеличении давления мембрана испытывает большие перегрузки в местах расположения ямки, окружающей центральный выступ, и упругих деформаций, происходят пластичные, сдвиговые деформации и затем разрушение мембраны.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение надежности и работоспособности высокоточного дифференциального датчика давления во время и после кратковременных многократных перегрузок за счет использования микромеханических ограничителей хода мембраны, а также обеспечение возможности измерения величин перегрузки.

Поставленная задача решается тем, что полупроводниковый датчик перепада давления содержит полупроводниковую мембрану, состоящую из центральной активной области на верхней стороне мембраны, окруженной канавкой, образующей центральный выступ и периферийную неактивную область вокруг канавки. Также датчик содержит тензометрический датчик в виде мостовой схемы из тензорезисторов, расположенных на обратной стороне мембраны в областях, соответствующих расположению канавки в противоположных сторонах от центрального выступа, первый стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на верхнюю сторону, и второй стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на обратную сторону. Первый стопорный элемент из кремния содержит стопорный выступ в области напротив канавки полупроводниковой мембраны и располагается с зазором относительно дна канавки мембраны, а также стопорное углубление напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, расположенное с зазором от центрального выступа мембраны. Также первый стопорный элемент имеет центральное сквозное отверстие и закреплен плоской стороной на стеклянной подложке из материала с одинаковым с кремнием коэффициентом теплового расширения и имеющей центральное сквозное отверстие, совпадающее с отверстием первого стопорного элемента. Второй стопорный элемент из кремния содержит центральный стопорный выступ, окруженный первой канавкой и расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, а также стопорный выступ, окруженный второй канавкой, расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив канавки полупроводниковой мембраны.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена конструкция датчика дифференциального давления со стопорными элементами и стеклянной подложной.

Осуществление изобретения

Полупроводниковый датчик дифференциального (фиг. 1.) давления состоит из кремниевой мембраны 1 с центральным выступом 2, окруженным канавкой, полученной анизотропным травлением. Канавка и жесткий центр образуют активную область мембраны, способную прогибаться под действием приложенного давления. Периферийная область вокруг канавки образует неактивную область мембраны. На плоской поверхности мембраны в областях расположения канавки сформированы тензорезисторы, объединенные в тензорезистивный измерительный мост и меняющие свое сопротивления в зависимости от приложенного давления.

К мембране в периферийно неактивной области с двух сторон крепятся два стопорных элемента 3 и 4.

Со стороны центрального выступа 2 к мембране крепится первый стопорный элемент 4, соответствующий по размеру кремниевой мембране. Стопорный элемент обладает конгруэнтной поверхностью и профилем, соответствующими профилю центрального выступа и канавки кремниевой мембраны.

Таким образом, первый стопорный элемент содержит стопорный выступ 7 и углубление под центральным выступом 2 кремниевой мембраны, расположенные с зазором относительно поверхности мембраны, предназначенный для рабочего хода мембраны. Причем зазор между выступом 7 и канавкой мембраны меньше, чем зазор между выступом 2 и углублением стопорного элемента из-за меньшего прогиба периферийной части активной части мембраны, чем ее центральной части. Для подвода давления к мембране первый стопорный элемент содержит центральное сквозное отверстие 6, по размеру меньшее, чем центральный выступ 2.

Плоской стороной стопорный элемент 4 крепится на стеклянную подложку 5 для сопряжения с металлическими конструктивными элементами датчика давления. В подложке сделано центральное сквозное отверстие 6 для подвода давления.

Второй стопорный элемент крепится с планарной стороны кремниевой мембраны в неактивной области. Он содержит центральный выступ 8 со сквозным отверстием 9 для подачи давления на планарную сторону мембраны. Также как и первый стопорный элемент, второй стопорный элемент содержит выступ 7, расположенный напротив канавки кремниевой мембраны. Центральный выступ 8 и выступ 7 расположены с зазором относительно планарной поверхности мембраны, причем зазоры между выступом 7 и 8 и планарной частью мембраны меньше, чем зазор между центральным выступом 8 и центральным выступом 2, что позволяет прогибаться мембране.

При подаче давления мембрана датчика отклоняется в ту или иную сторону в зависимости от того, с какой стороны на мембрану действует избыточное давление. При деформации мембраны, пропорционально значению избыточного давления, меняются сопротивления тензорезисторов 10, которые формируют измерительный мост. При подаче на него питающего напряжения с него снимается выходной сигнал.

При перегрузочных давлениях, отклоняясь в ту или иную сторону, мембрана ложится на центральные выступы 8 упорных элементов 3 или 4 и прекращает свой прогиб.

Тем самым изгибные напряжения мембраны не выходят за рамки, при которых происходит разрушение мембраны.

После прекращения воздействия перегрузки датчик дифференциального давления продолжает работать в основном режиме.

В результате предложенная конструкция датчика дифференциального давления, при возникновении и развитии процесса перегрузки, позволяет сохранить измерительную мембрану от разрушения при многократных перегрузках (примерно в 200-500 раз от верхнего предела измерения давления).

Датчик давления, содержащий полупроводниковую мембрану, состоящую из центральной активной области на верхней стороне мембраны, окруженной канавкой, образующей центральный выступ и периферийную неактивную область вокруг канавки, тензометрический датчик, выполненный в виде мостовой схемы из тензорезисторов, сформированных на обратной стороне мембраны в областях, соответствующих расположению канавки в противоположных сторонах от центрального выступа, первый стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на верхнюю сторону мембраны, и второй стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на обратную сторону, отличающийся тем, что первый стопорный элемент выполнен из кремния и содержит первый стопорный выступ в области напротив канавки полупроводниковой мембраны и располагается с зазором относительно дна канавки мембраны, а также первое стопорное углубление напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, расположенное с зазором от центрального выступа мембраны, первый стопорный элемент имеет центральное сквозное отверстие и закреплен плоской стороной на стеклянной подложке из материала с одинаковым с кремнием коэффициентом теплового расширения и имеющей центральное сквозное отверстие, совпадающее с отверстием первого стопорного элемента, второй стопорный элемент выполнен также из кремния и содержит второй центральный стопорный выступ, окруженный первой канавкой и расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, а также второй стопорный выступ, окруженный второй канавкой, расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив канавки полупроводниковой мембраны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано в различных областях науки техники, связанных с измерением перепада давления среды.

Заявленная группа изобретений относится к датчикам, которые используются в устройствах для детектирования давления текучих сред (жидкостей и газообразных сред) в различных областях, например в автомобильной промышленности, в бытовых электрических приборах, в области сохранения окружающей среды и общего контроля в гидротермальной санитарии или в области медицины.

Изобретение относится к бесшкальным манометрам. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах измерения давления жидкостей и газов. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления датчика давления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных средств. Датчик содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по одной окружности мембраны, и вторые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по другой окружности на мембране, соединенные перемычками, включенные в измерительный мост.

Изобретение относится к датчикам давления, используемым для измерения технологической текучей среды и дифференциального давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений давления.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления среды в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды.

Изобретение относится к преобразователям давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения давления за счет уменьшения содержания посторонних молекул, растворенных в газе или жидкости.

Предлагаемое устройство относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью.

Изобретение относится к области «физика материального взаимодействия». Способ определения механических параметров нарушенной материальной среды в условиях фиксированного внешнего воздействия заключается в том, что фиксируют определяющий для исследуемой среды физический параметр внешнего воздействия - температуру Т(°С), плотность ρ (кг/см3), ускорение гравитационного притяжения (g, м/с2) и движения материального тела (α, м/с2), световое излучение, радиоактивность, электрическое и магнитное воздействие, устанавливают требуемый механический параметр материальной среды с учетом влияния физических определяющих параметров внешнего воздействия, определяют угол внутреннего трения и удельное сцепление cстр (кГ/см2) структурированной (природной) среды. Параметры угла внутреннего трения и удельного сцепления cн нарушенной среды определяют в фиксированных условиях внешнего воздействия, используя выражения а механические параметры материальной среды, используя фиксированные параметры и cн, и cстр в заданных условиях внешнего воздействия. Технический результат - возможность определения известных механических параметров нарушенной материальной среды через универсальные физические величины прочности: угол внутреннего трения и удельное сцепление, присущие всем материальным средам в структурированном и нарушенном состоянии.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения давления, и может быть использовано при измерении динамического давления совместно с пьезоэлектрическими датчиками динамического давления. Устройство измерения динамического давления содержит пьезоэлемент 1 и измерительный блок 2, который состоит из генератора переменного тока 3, усилителя широкополосного 4, полосового фильтра 5, выпрямителя 6, фильтра нижних частот 7 и микроконтроллера 8. Выход пьезоэлемента 1 подключен к выходу генератора переменного тока 3, а выход генератора переменного тока 3 - к усилителю широкополосному 4. Усилитель широкополосный 4 соединен с полосовым фильтром 5 и фильтром нижних частот 7. Полосовой фильтр 5 через выпрямитель 6 соединен с первым входом микроконтроллера 8, второй вход которого подключен к фильтру нижних частот 7. Технический результат заключается в повышении быстродействия устройства путем одновременного измерения температуры и динамического давления, повышении точности устройства при измерении динамического давления путем коррекции температурной погрешности измерения динамического давления. 1 ил.

Изобретение относится, в общем, к устройству измерения давления и, в частности, к узлу кварцевого измерительного преобразователя давления и температуры, характеризующегося улучшенной коррекцией ошибок при воздействии градиентов давления и температуры. Заявленный узел измерительного преобразователя содержит первый, второй, третий и четвертый генераторы (19, 20, 21, 22) с кварцевой стабилизацией частоты и первый, второй, третий и четвертый кварцевые резонаторы (2, 3, 4, 5) с колебаниями сдвига по толщине, где первый, второй, третий и четвертый генератор управляется соответственно первым, вторым, третьим и четвертым кварцевым резонатором, при этом первый и второй кварцевые резонаторы образуют соответственно резонатор (2) давления и опорный резонатор (3), которые вместе конструктивно исполнены как датчик давления, обеспечивающий частотный выходной сигнал (8); третий кварцевый резонатор (4) образует первый резонатор температуры, конструктивно исполненный как датчик температуры, обеспечивающий частотный выходной сигнал (9); и четвертый кварцевый резонатор (5) образует второй датчик температуры, при этом частотный выходной сигнал (22) четвертого генератора микшируют с частотным выходным сигналом третьего генератора (21) для получения динамического теплового выходного сигнала (10), и резонатор (5) второго датчика температуры является частью того же держателя (6), что и опорный резонатор (3) и первый резонатор (4) температуры, или является частью другого держателя (7). Технический результат заключается в повышении точности измерений. 37 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретения относятся к измерительной технике, в частности к средствам и методам для измерения давления. В устройстве используются пленочные емкостные датчики, позволяющие измерять пульсации давления, возникающие от нагрузки вибрации, также устройство содержит державку, демпфер, снижающий нагрузки от вибраций, который размещен на наружной поверхности объекта измерений, а пленочные датчики размещены снаружи и внутри объекта на разных участках. При этом один пленочный датчик закреплен на державке, а на демпфере наклеен другой пленочный датчик, расположенный на одном уровне с первым датчиком. Сущность способа заключается в том, что до проведения эксперимента пленочные емкостные датчики наклеивают на поверхности исследуемого объекта. После этого выбирают наиболее критичные параметры, например коэффициенты преобразования каналов, амплитудно-частотные характеристики каналов, шумы аппаратуры и внешних электромагнитных помех. В процессе эксперимента на выходе усилителя напряжения измеряют общий сигнал - смешанные сигналы шумов аппаратуры и внешних электромагнитных помех, пульсации давления, создаваемые ускорением от вибрирующего исследуемого объекта и излучаемые в окружающую среду. Технический результат заключается в повышении точности измерения быстропеременного давления и быстродействия обработки измерений, расширении области применения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для измерения давления содержит СВЧ чувствительный элемент в виде металлической полости, часть стенки которой выполнена упругой, соединенный с помощью элемента возбуждения и элемента съема электромагнитных колебаний с электронным блоком, металлическая полость выполнена в виде волновода с упругой одной торцевой стенкой, при этом электронный блок содержит генератор электромагнитных колебаний фиксированной частоты и подключенный к индикатору детектор, подсоединенные с помощью, соответственно, элемента возбуждения и элемента съема электромагнитных колебаний к волноводу у его другой торцевой стенки, а волновод выполнен в виде предельного волновода, для которого частота возбуждаемых в нем электромагнитных волн выбрана ниже минимальной частоты возбуждения в волноводе распространяющихся электромагнитных волн. Технический результат - упрощение конструкции. 1 ил.
Наверх